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Dokumentenidentifikation DE102005047956A1 12.04.2007
Titel Verfahren zur Demonstration der Roentgenbeugung
Anmelder ETC Energietechnik und Chemie GmbH & Co. KG, 64584 Biebesheim, DE
DE-Anmeldedatum 06.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005047956
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse G09B 23/06(2006.01)A, F, I, 20070118, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G09B 23/26(2006.01)A, L, I, 20070118, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veranschaulichung der Röntgenbeugung an Kristallgittern. Dabei kommen monodisperse Kunststoffteilchen und monochromatisches, sichtbares Licht zum Einsatz.

Eines der wichtigsten Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Anordnung der Atome in kristallinen Festkörpern ist die Beugung und Interferenz der Röntgenstrahlen, deren Wellenlänge etwa den Atomabständen in Kristallgittern entspricht, an den Elektronen der Gitteratome.

Aufgrund des hohen apparativen Aufwandes und der Gefährlichkeit der Röntgenstrahlen wird diese wichtige Strukturanalyse zumindest im schulischen Bereich häufig nur theoretisch, d.h. ohne experimentelle Untermauerung, unterrichtet.

Nun ist seit langem bekannt, dass Latexkristalle aus eingetrockneten monodispersen Polymerdispersionen als kubisch dichteste Kugelpackung im sichtbaren Bereich den Braggschen Reflexionen der Röntgenographie völlig analoge Interferenzerscheinungen liefern (W: Kleber, Einführung in die Kristallographie, VEB Verlag Technik Berlin, 10. Auflage 1969, S. 235).

Monodisperse Kunststoffteilchen sind heute im Größenbereich 0,02 µm bis 100 &mgr;m verfügbar und werden für die unterschiedlichsten technischen Anwendungen bereit gestellt (Younan Xia et al., Adv. Mater. 2000, 12, No. 10, 693-713:

„Monodispersed Colloidal Spheres: Old Materials with New Applications").

So wird in EP 0 729 794 die Verwendung eines monomolekularen Dispersionsfilms aus Mikroteilchen mit hexagonalem dichtgepacktem Gitter als chromogener Film mit einem opalähnlichen Beugungsmuster beschrieben.

Aufgabe und Lösung

Nach wie vor besteht im Bereich der Lehre ein Bedarf an einem einfachen System, das das wichtige Gebiet der Röntgenstrukturanalyse und Röntgenbeugung anschaulich experimentell vermittelt.

Es wurde nun gefunden, dass in der Kombination der inzwischen wohlfeilen monochromatischen Laser im Wellenlängenbereich von 0,4-0,8 µm mit monodispersen Kunststoffdispersionen mit einem Teilchendurchmesser von 0,4-10 µm eine einfache Möglichkeit erarbeitet werden kann, das Verfahren der Röntgenbeugung zu veranschaulichen.

Dieses Verfahren zur Demonstration der Röntgenbeugung an Kristallgittern, zeichnet sich dadurch aus, dass wässerige Polymerdispersionen, enthaltend monodisperse Polymerteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,4-10 µm, zu einem Kristallgitter eingetrocknet werden und an diesem Latexgitter monochromatisches, sichtbares Licht, d.h. Strahlung der Wellenlänge 0,4-0,8 µm, gebeugt wird.

In völliger Analogie zur Röntgenbeugung an Kristallen, bei der Atomabstände und Wellenlänge der Röntgenstrahlen in derselben Größenordnung liegen, sind auch hier die Wellenlänge des sichtbaren Lichts und die Durchmesser der Polymerteilchen in derselben Größenordnung, nur 4 Zehnerpotenzen langwelliger und damit ungefährlich.

Von besonderer Bedeutung für dieses Verfahren sind geeignete monochromatische Laser. Hier wird man die üblichen, im Handel verfügbaren Laser oder Laserdioden im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes einsetzen, wobei insbesondere Rotlichtlaser, z.B. Laser der Wellenlänge 650nm, von Interesse sind. Solche Systeme finden z.B. als Laserpointer breite Anwendung. Geeignet sind z.B. Laserpointer mit einer Wellenlänge im Bereich 0,6-0,75 µm.

Besonderes Interesse verdient der Einsatz von wässerigen Dispersionen mit einem Feststoffgehalt im Bereich 0,001-20 Gew%, bevorzugt 0,01-2 Gew%, da sich an diesen verdünnten Dispersionen auch der Vorgang des Kristallisierens und bei Teilchen < 3 µm auch die Brownsche Bewegung beobachten lassen.

Besonders einfach lassen sich z.B. durch einfaches Eintrocknen eines Tropfens einer stark verdünnten monodispersen Teilchendispersion zweidimensionale Gitter aus Kunststoffteilchen realisieren. An diesen Gittern lässt sich beispielsweise mit einem Laserpointer (&lgr; = 670nm) die Abhängigkeit des 1. Beugungsmaximums als Funktion des Teilchendurchmessers darstellen. Dabei sind insbesondere bei größeren Teilchen, z.B. bei Teilchen mit einem Durchmesser von 5 µm, auch höhere Ordnungen gut sichtbar.

Als Kunststoffteilchen kommen insbesondere Teilchen von Vinylpolymeren, z.B. Teilchen aufgebaut aus Styrol und (Meth)acrylsäureestern zum Einsatz. Besonders interessant sind Teilchen mit einer Dichte im Bereich 0,9-1,2 g/cm3.

Dabei sind Kunststoffteilchen im Größenbereich 0,6-6 µm besonders bevorzugt. Interessant sind Teilchen auf Basis PMMA und Polystyrol, wie sie von den bei Xia et al. (siehe oben) genannten Quellen oder z.B. bei ETC Energietechnik und Chemie GmbH & Co. KG, Brunnenweg 1, D-64584 Biebesheim bezogen werden können.

Beispiel 1

Ein Tropfen einer Polymerdispersion, enthaltend ca. 2 µm große einheitliche Kunststoffteilchen aus PMMA, mit 1% Feststoff wird auf einem Objektträger bei Raumtemperatur eingetrocknet.

Man läßt das Licht eines Laserpointers (monochromatisch, &lgr; = 670nm) auf das durch Eintrocknen erhaltene Teilchengitter fallen. Man erhält einen deutlichen, scharfen Beugungsring 1. und 2. Ordnung.

Mit der bekannten Wellenlänge des Lichts aus dem Laserpointer und dem beobachteten Beugungswinkel läßt sich der Durchmesser der Latexteilchen (= Teilchenabstand) berechnen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Demonstration der Röntgenbeugung an Kristallgittern, dadurch gekennzeichnet, dass wässerige Polymerdispersionen, enthaltend monodisperse Polymerteilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,4-10 µm, zu einem Kristallgitter eingetrocknet werden und an diesem Latexgitter monochromatisches Licht der Wellenlänge 0,4-0,8 &mgr;m gebeugt wird. Verfahren zur Demonstration der Röntgenbeugung an Kristallgittern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wässerige Polymerdispersionen mit einem Feststoffgehalt von 0,01-2 Gew% eingesetzt werden. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymerteilchen Polymere auf Basis Polymethacrylat und/oder Polystyrol zum Einsatz kommen. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle ein Laserpointer mit einer Wellenlänge von 0,6-0,75 µm verwendet wird. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdispersion zu einem zweidimensionalen Teilchengitter aufgetrocknet wird.






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